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Nuovi risultati di FINUDA

Stefania Bufalino

V Congressino di Sezione

11 gennaio 2008

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Piano della presentazione

• L’esperimento FINUDA a DAΦNE

• Set-up sperimentale per seconda presa dati

• Importanza dello studio del decadimento non mesonico degli ipernuclei Λ (NMWD)

• Studio del decadimento non mesonico:

- risultati dell’analisi degli ipernuclei 5ΛHe e 7

ΛLi

- confronto dei risultati di FINUDA con precedenti risultati sperimentali del KEK

- confronto dei risultati sperimentali di FINUDA con recenti calcoli teorici

• Conclusioni

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FINUDA @ DAΦNE

FINUDASeconda presa dati

(ottobre 2006-giugno 2007)• Luminosita’ media integrata in un

giorno ~ 7 pb-1

• Luminosita’ integrata totale ~ 964 pb-1

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Bersagli della seconda presa dati

6Li 7Li

7Li

6Li

9Be

9Be

13C

D2O

2×6Li, 2×7Li, 13C, 2×9Be, D2O

Light targets: ideali per lo studio dei decadimenti deboli. 6

ΛLi instabile per emissione di un nucleone utilizzato per accedere a sistemi leggeri 5

ΛHe, 4ΛHe, 4

ΛH.

Medium targetsMedium targets::• Spettroscopia ipernucleare ad alta Spettroscopia ipernucleare ad alta

risoluzione e con elevata statisticarisoluzione e con elevata statistica• Studio dei decadimenti deboli e Studio dei decadimenti deboli e

dipendenza dal numero di massa A dipendenza dal numero di massa A

5

Decadimenti deboli degli ipernuclei Λ

Decadimento debole della Λ libera :

Λ → pπ- B.R. 63.9% (Гπ-) Λ → nπ0 B.R. 35.8% (Гπ0)

•Decadimento mesonico soppresso in materia nucleare a causa del blocco di Pauli del nucleone nello stato finale

•Validita’ della regola fenomenologica ∆I= ½ per decadimenti che coinvolgono quark strani

Decadimento non mesonico:

Λn → nn (Гn) “neutron-induced decay” Λp → np (Гp) “proton-induced decay” ΛNN → nNN (Г2) “two nucleons-induced decay”

Ampiezza di decadimento totale ГT= ГM+ ГNM

ГM= Гπ-+ Гπ0

ГNM= Гn+ Гp+ Г2

6

s

E.Bauer, Ramos et al.,2006:nucl-th/0602066:

Calcoli teorici di Ep Calcoli teorici di Ep senza (sopra)senza (sopra)

e e con (sotto)con (sotto) effetti di effetti di FSI .FSI .

Dati dell’esperimento KEK-E508Dati dell’esperimento KEK-E508

misure effettuate al KEK con lo spettrometro SKS

alta soglia in energia per la rivelazione di protoni (35 MeV)

Nessuna informazione sul possibile contributo dell’interazione di stato finale ( FSI ) o del decadimento indotto da due nucleoni

12ΛC

Okada et al. PLB 597 (2004) pp 249-256

E’ necessario un ulteriore studio….

Spettri di energia di protoni: dati esistenti

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Evento di NMWD indotto da un protone in FINUDA

p

π-

Studio dello spettro di impulso dei π-

Identificazione dello stato fondamentale dell’ipernucleo (g.s.)

eventi con un π - e un protone in coincidenza

Ricerca delle possibili reazioni di fondo

Studio dello spettro di energia dei protoni

Correzione per accettanza degli spettri di protoni

8

Spettri di energia di protoni da decadimento non mesonico del

7ΛLi

9

Spettro di impulso dei π - per i bersagli di 7Li targets (1)

275 MeV/c

impulso ricostruito e corretto per la perdita di energia nei materiali attraversati

tagli di qualita’ sul fit della traccia

La regione di impulso selezionata in rosso corrisponde alla formatione del 7

ΛLi nello stato fondamentale (272 MeV/c<pπ-<278 MeV/c ).

Riduzione del fondo

Taglio sulla distanza tra il punto estrapolato della traccia del π- e il vertice del K- (d<0.3 cm)

Ottimizzazione del rapporto signale/rumore

Spettro inclusivo dei pioni negativi

(somma dei due bersagli di 7Li)

p

π -

10

Spettro dei pioni negativi per eventi con un protone in coincidenza

Oltre al picco relativo allo stato fondamentale (275 MeV/c) emerge un secondo picco (269 MeV/c)

K- stoppato in un bersaglio di 7Li: 7

ΛLi, (6ΛHe + p), (5

ΛHe+ d), (4ΛHe+ t),

(3ΛHe + α).

Sistemi ipernucleari con massa minore

275 MeV/c

269 MeV/c

K-stop + 7Li 5

ΛHe + d + π-

Valore di impulso massimo

(272,67 MeV/c)

Sperimentalmente

ΔBΛ = 3.98 MeV

K-stop + 7Li 7

ΛLi + π-5ΛHe + d 3.94

Spettro di impulso dei π - per i bersagli di 7Li (2)

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Spettri di protoni da NMWD del 7 ΛLi (1)

Non corretto per accettanza

Corretto per accettanza L’utilizzo di bersagli sottili e l’inclusione

di tracce corte permette di ridurre la soglia di energia per i protoni. Forma dello spettro a 15-40MeV

importante per studiare gli effetti della FSI e il possibile assorbimento da due

nucleoni. E’ possibile studiare un range di energia

mai studiato prima

Spettro di energia di protoni in coincidenza con un π- di formazione del

7ΛLi nello stato fondamentale. 226

eventi

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Signal

Background

Simulazione della reazione di fondo

K- np Σ-p

Seguita dal decadimento Σ- nπ-

i nucleoni hanno un impulso attribuito secondo la distribuzione di Fermi

criteri di selezione e quality cuts usati per l’analisi dei dati reali

Simulazione: 4 milioni di eventi generati in tutto lo spettrometro 3.6 ×105 eventi con un K- stoppato

in un bersaglio di 7Li

Data

Simulation

Spettri di protoni da NMWD del 7 ΛLi (2)

13

7 ΛLi NMWD

Spettro di energia di protoni dal NMWD del 7ΛLi

La forma dello spettro a bassa energia e’ dovuta al rescattering del protone dentro il nucleo (FSI)

La FSI non e’ cosi’ forte da eliminare il segnale a 80 MeV.

Errori statistici dovuti all’errore sul calcolo dell’accettanza e alla sottrazione del fondo.

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Spettri di energia di protoni da decadimento non mesonico del

5ΛHe

15

Corretto per accettanza

Not corretto

per accettanza

145 eventi

267 MeV/c<pπ-<272 MeV/c

Spettri di protoni da NMWD del 5 ΛHe con bersagli di 7Li

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Signal

Background

Il fondo per 5ΛHe e’ stato valutato

utilizzando la simulazione del canale di reazione K-np e sottraendo lo

spettro dei protoni in coincidenza con un π- avente impulso nella

regione 267-272 MeV/c

Spettro di energia di protoni del decadimento non mesonico del 5ΛHe dopo la sottrazione del fondo

Effetto della FSI sulla forma dello spettro a bassa energia

Presenza del segnale a 80 MeV (meta’ del Q-value della reazione)

Spettri di protoni da NMWD del 5 ΛHe

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impulso ricostruito e corretto per la perdita di energia nei materiali attraversati

tagli di qualita’ sul fit della traccia

La regione di impulso selezionata in rosso corrisponde alla formatione del 6

ΛLi nello stato fondamentale (272 MeV/c<pπ-<278 MeV/c ). Lo stato fondamentale del 6

ΛLi e’ “proton unbound” infatti decade in

Taglio sulla distanza tra il punto estrapolato della traccia del π- e il vertice del K- (d<0.25 cm)

6ΛLi 5

ΛHe + p

275 MeV/c

Spettro di impulso dei π - per i bersagli di 6Li (1)

Spettro inclusivo dei pioni negativi

(somma dei due bersagli di 6Li)

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Spettro dei pioni negativi per eventi con un protone in coincidenza

un picco emerge a 275 MeV/c (state fondamentale)

Lo spettro di protoni mostra una forma diversa da quella del 7

ΛLi

La differenza puo’ essere attribuita alla struttura a cluster del nucleo del 6Li

Non corretto per accetanza

Corretto per accettanza

272 MeV/c<pπ-<278 MeV/c

370 events

Spettri di protoni da NMWD del 5 ΛHe con bersagli di 6Li

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La struttura a due cluster del 6Li (α+d) e’ ben nota ed e’ stata osservata in reazioni in volo (π+,2p) e reazioni a riposo (π-, 2n)

La simulazione della reazione di fondo tiene conto della distribuzione dell’impulso di un deutone in un nucleo di 6Li

simulation

Data

T. Yamazaki and Y. Akaishi NPA 792 (2007 ) 229

Studio del fondo per i bersagli di 6Li

Simulazione: 3.5 milioni di eventi generati in tutto lo spettrometro

4 ×105 eventi con un K- stoppato in un bersaglio di 7Li

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Spettro di energia di protoni dal decadimento non mesonico del 5

ΛHe dopo la sottrazione del fondo

Contributo a bassa energia della FSI e del decadimento indotto da due nucleoni

Segnale a ~80 MeV chiaramente visibile

spettro di energia di protoni dal decadimento non-mesonico del 5

ΛHe

dopo la correzione per accettanza

spettro di energia di protoni rivelati in coincidenza con un π- dei dati simulati

Spettri di protoni da NMWD del 5 ΛHe con bersagli di 6Li

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spettro di energia di protoni dai bersagli di 7Li

spettro di energia di protoni dai bersagli di 6Li

Spettri normalizzati in area oltre 15 MeV

Kolmogorov-Smirnov test: probabilita’ di compatibilita’ P=0.89 con un livello di confidenza del 95%

I due spettri sono compatibili quindi possono essere sommati

Spettro finale dal decadimento non mesonico del 5 ΛHe

NMWD del 5 ΛHe

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5ΛHe

7ΛLi

Prima misura diretta di Г p

0.25±0.075ΛHeMedia

pesata dei valori del

6Li e del 7Li

0.21±0.125ΛHe7Li

0.37±0.097ΛLi7Li

0.28±0.095ΛHe6Li

Гp(units of ГΛ)HypernucleusTarget

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FINUDA vs KEK e confronto con i calcoli teorici

• spettro di energia di protoni ottenuti al KEK

• spettro di energia di protoni dai dati di FINUDA

I due spettri sono normalizzati in area oltre 35 MeV

Kolmogorov-Smirnov test: P=0.78 con un livello di confidenza del 75% buona compatibilita’

5ΛHe

Kolmogorov-Smirnov test: P=0.65 con un livello di confidenza del 75%

5ΛHe : l’utilizzo di tecniche Monte Carlo per

ipernuclei leggeri e’ discutibile

(Phys. Rev. C 69 054603 [2004])

Theoretical curve

FINUDA proton spectra

5ΛHe

(Phys. Lett. B 597 [2004] 249-256)

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Conclusioni

Secondo run concluso in giugno 2007 raccogliendo la luminosita’ attesa

Dall’analisi dei dati raccolti e’ stato condotto uno studio completo del NMWD indotto da un protone per 5

ΛHe e 7ΛLi raggiungendo risultati molto

interessanti

Introducendo nell’analisi dei dati “tracce corte” nella selezione dei protoni e’ stata abbassata la soglia in energia a 15 MeV permettendo lo studio di una regione mai studiata prima

Prima misura diretta sperimentale dell’ampiezza di decadimento Гp per 5

ΛHe e 7ΛLi. In particolare il valore di Гp per il 7

ΛLi e’ stato misurato per la prima volta.

Ulteriori analisi in corso

25

BACK-UP

26

9Be

Hypernuclear Spectroscopy

27

Hypernuclear Spectroscopy

13C π- spectrum clearly shows the excitedHypernuclear level expected at 272 MeV/c.

π- spectrum from the D2O target clearly showsall the Hypernuclear levels expected from 16OΛ.

28

K -pp clusters I

Phys. Rev. Lett. 94 (2005)

212303

Dat

a ta

king

2006

-200

7

The “bump” in the pΛInv. Mass. below the“free” K-pp thresholdis confirmed, separatelyfor each light target

29

K -p (pn) clusters

Λd invariant mass distributions

no acceptancecorrection

acceptancecorrected

Phys. Lett. B 654 (2007) 80, Issue 3-4, 11 October 2007

Λd Λd

30

Λ

2003-04 2006-07

Λ selection in coincidence with d emission

6Li

31

Λd invariant mass distribution

6Li

no acceptancecorrection

acceptancecorrected

back-to-backΛd correlation

back-to-backΛd correlation

2006-07 2006-07

2006-07

Λd Λd

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Calcolo dell’accettanza per i protoni

Generazione di 40 millioni di eventi:

• Per ogni K- stoppato nel bersaglio viene generato un protone

• protone emesso isotropicamente nello spettrometro FINUDA

• generazione di uno spettro di impulso piatto

• ampio range di impulso: da 100 MeV/c a 600 MeV/c

6Li

7Li

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Funzione di accettanza

La funzione di accettanza dipende da:

• effetti geometrici

• efficenza dell’algoritmo di ricostruzione di FINUDA

• selezioni del trigger

• quality cuts

Rapporto tra il numero dei protoni ricostruiti e il numero degli eventi

generati

Stessi criteri di selezione applicati agli eventi reali

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FINUDA acceptance calculation

Generation of 40 millions events:

• a proton is generated for each K-

stopped in a target

• proton emitted isotropically in the FINUDA spectrometer

• generation of a flat momentum spectrum

• wide momentum range: from 100 MeV/c to 600 MeV/c

6Li

7Li

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FINUDA acceptance function

The proton acceptance function depends on:

• geometrical effects

• efficiency of the FINUDA reconstruction algorithm

• trigger selection

• quality cuts

Ratio between the number of reconstructed protons and the

number of generated events applying the same selection criteria applied to

the real events

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Background study

Momentum distribution for π- emitted when a K- is stopped in a 12C target

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Proton identification

Proton selection

at least one layer of drift chamber and the outer layer of silicon detector (OSIM)

First layer of drift chamber

MIPs

No-MIPs

Second layer of drift chamber

Proton band

OSIM

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DAΦNE e+e- collider

FINUDA

5.2 A (max)current/ring

8.9 1010part./bunch

up to 120bunch/ring

35 mmσz (rms)

0.021 mmσy (rms)

368.25 MHzfrequency (max)

12.5 mradcrossing angle

30 mmbunch length

2.11 mmσx (rms)

510 MeVenergy